钢铁冶金除尘灰的处理工艺研究.pdf

冶金与材料第 44 卷钢铁冶金除尘灰的处理工艺研究苏培生，田犀，蒲灵（四川省工业环境监测研究院，四川 成都610046）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 3 期2024 年 3 月Vol.44 No.3Mar.2024摘要：钢铁冶金是重要的基础工业，同时也面临着环境污染的挑战。在钢铁冶金生产过程中，除尘设备的应用非常普遍，其主要目的是去除烟尘和粉尘颗粒，以改善空气质量和保护环境。然而，除尘设备所产生的除尘灰却成为另一个问题。除尘灰中含有大量的金属和有害物质，如果不加以有效处理，会对土壤、水源和空气产生负面影响。因此，对钢铁冶金除尘灰的处理工艺进行研究具有重要的意义。有效的除尘灰处理工艺能够实现资源的回收利用，减少对环境的影响，并提高钢铁冶金行业的可持续发展水平。关键词：钢铁冶金；除尘灰；处理工艺作者简介：苏培生（1986），男，四川巴中人，主要研究方向：钢铁冶金。钢铁冶金行业是全球范围内重要的基础产业之一，然而其生产过程会产生大量的粉尘和废气污染。其中，钢铁冶金除尘灰是重要的污染物之一，需要进行合理的处理和管理。目前，钢铁冶金除尘灰的处理工艺已经取得了一定的进展，但仍存在诸多挑战。因此，开展对处理工艺的研究和改进具有重要意义。1钢铁冶金除尘灰的特点和危害1.1除尘灰钢铁冶金过程中产生的除尘灰是指在炼铁、炼钢和钢铁加工过程中通过除尘设备捕集下来的颗粒物。在高温冶炼过程中，废气中含有大量细小的颗粒物和炉渣颗粒，通过预处理和除尘设备，可以将这些颗粒捕集下来，形成除尘灰。除尘灰颗粒多为细小的粉尘，通常直径为几微米至几毫米。颗粒物的粒径大小会受到炉型、冶炼工艺和除尘设备性能等因素的影响。1.2除尘灰的组成和特性钢铁冶金除尘灰的主要组成成分是氧化物。氧化物包括二氧化硅、氧化铝、氧化钙等。这些氧化物的含量和比例会受到炉渣情况、原料类型和冶炼工艺的影响。除了氧化物外，除尘灰中还含有石英、非晶态硅酸盐等物质，这些成分的存在也会对除尘灰的物化性质产生一定影响。除尘灰中还常常含有一些重金属元素，如铁、铬、镍、锌等。这些元素是从原料中提取出来的，并随废气中的颗粒物一同捕集下来。重金属元素的含量和种类会受到原料成分和冶炼工艺的影响。其中，一些重金属元素具有毒性和生物蓄积性，对环境和人体健康构成一定的危害。此外，钢铁冶金除尘灰的特点还包括颗粒细小、表面积大等。由于除尘灰颗粒的细小性质，其比表面积相对较大，容易与其他物质发生反应，从而对环境和人体产生较大的影响。1.3除尘灰的危害钢铁冶金除尘灰对环境和人体健康可能产生一定的危害。尘灰中的重金属元素和有害物质可能对水体和土壤造成污染，破坏生态平衡。当除尘灰排放到水体或土壤中，其中的重金属元素被溶解出来，随水流扩散，对水体生态系统和土壤质量造成潜在威胁。除尘灰中的细颗粒物会在空气中悬浮并扩散，对大气环境质量造成负面影响。颗粒物的细小粒径以及较大的比表面积，使其具有较强的吸附能力，可以吸附和携带其他有害物质，如重金属离子、有机物等。当颗粒物悬浮在空气中时，人们容易吸入这些细小颗粒，对呼吸道和肺部健康构成一定危害。2钢铁冶金除尘灰的处理方法综述2.1高炉除尘灰精选碳粉、铁粉高炉除尘灰是钢铁冶金过程中产生的废弃物，其中含有一定量的碳粉和铁粉。对于高炉除尘灰的处理，一种常见的方法是进行精选，将其中的碳粉和铁粉分离出来，并进行回收利用。在高炉除尘灰精选过程中，可以通过筛分、浮选等物理分离方法，将细小颗粒的碳粉和铁粉从除尘灰中分离出来。筛分是将除尘灰通过不同目数的筛网进行分级，根据颗粒大小和重量不同来实现分离效果。浮选则是利用颗粒的密度差异，通过气泡的作用使碳粉和铁粉浮起，从而实现分离。同时，未被提取的浮选尾矿浆则进入螺旋重选，再次进行矿石分选的过程，产出较为纯净的铁粉。具体来说，部分氧化铁及尾浆会经过磁选机再次分选，从中提取出符合要求的铁粉。在这个过程中，水和尾矿浆所含的杂质将通过脱泥机进行浓缩净化处理，形成含有较高碳含量的浆体，并且经过压滤后将水进行循环使用，实现了节约资源的目的。接着，富集的碳粉可以作为原74第 3 期料销售给周边的砖厂、化工厂等工业企业，起到了资源再利用的有效作用。同时，精选出的铁粉中含有 Pb、Zn、K、Na 等元素，在达到标准后可以返回烧结工序进行再次利用，形成产品的循环流动。整个过程中，通过精心设计的工艺流程和设备配套，实现了高炉除尘灰中碳粉、铁粉的有效提取和利用，不仅减少了废弃物的排放量，还为资源的可持续利用提供了技术支持，实现了废物变废为宝的目标。2.2转炉除尘灰冷压块在传统工艺中，提取转炉除尘灰后的处理方式单一，通常无法实现资源的最大化利用，同时对环境会造成潜在影响。为此，在钢铁冶金除尘灰处理中引入了一种新工艺，旨在实现除尘灰的资源化和综合利用。通过将转炉除尘灰与适量水和黏结剂混合，并利用轮碾机进行均匀搅拌处理，可有效提高混合料的可塑性和均匀性。随后，将搅拌后的混合料转移到压球机内进行冷压成型处理，从而制成坚固且规整的球团。通过烘干处理，使得成品球团达到一定的硬度和稳定性，方便运输和存储，减少与料仓黏结的可能性，提高回收利用效率。在这种新工艺中，转炉除尘灰中富含氧化铁成分的特点被有效利用，其作为冷却剂投放后，能够促使渣中氧化铁含量增高，加速化渣进程。同时，在钢铁冶金除尘灰处理过程中应用转底炉开路处理工艺，可以实现钢铁冶金除尘灰中有害元素与铁元素的有效分离，提高金属化球团生产效率，并将除尘灰、泥、铅、锌等元素回收率维持在较高水平，实现钢铁冶金除尘灰的优质原料再利用，全面提升处理效率和综合利用率，推动绿色发展和可持续生产的目标实现。2.3烧结处理烧结处理在钢铁冶金工业中扮演着至关重要的角色，将混合的原料在高温环境下加热处理，使其部分熔化并粘结在一起，形成适合高炉冶炼的球团。在烧结工序中，氧化铁皮、转炉污泥、转炉灰等物质被广泛应用，这些废弃物中含有丰富的铁元素，因此在烧结处理中可以起到重要的作用。对于含有大量铁元素的废弃物材料，如氧化铁皮、转炉污泥和转炉灰，其特点是铁含量高而锌、氧化钾等其他物质含量较低。在处理这些废弃物时，可以将其中的锌、氧化钾等低含量物质直接返回，并投放至烧结工序中进行再次利用。通过作为配料加入烧结过程中，这些低含量物质可以与其他原料混合烧结，从而实现资源的循环利用，有效控制钢铁冶金生产的总体成本。通过此种做法，不仅可以减少废弃物的排放和对环境的影响，还能够降低生产过程中的原料成本，提高资源的利用效率。2.4回转窑工艺回转窑工艺在实现废弃物处理和资源回收利用方面具有很大潜力。首先，通过在回转窑中引入各类除尘灰和其他废弃物，可以有效减少固体废弃物对环境的污染和对资源的浪费。通过精确的分离和回收工艺，可以实现锌元素的有效回收利用，不仅减少了有害物质的排放，还实现了资源的节约和利用。此举不仅符合环保政策和法规要求，还可以为企业节约成本，提高资源利用效率，同时也符合绿色发展理念。另外，在窑渣的干法处理阶段，对铁元素进行回收和利用也是回转窑工艺的一大特点。通过精细的工艺流程设计和设备配置，能够高效地从窑渣中提取出有用的铁元素，并予以重复利用。这不仅有助于减少对原材料的需求，减少对自然资源的开发，还可降低生产成本，提高企业的竞争力。2.5小高炉冶炼工艺小高炉冶炼工艺是近年来钢铁行业中崭露头角的一种新型技术，其主要特点是利用小型高炉进行炼铁生产，旨在实现钢铁废固资源化利用。这种工艺相比传统大型高炉具有较小的生产规模和投资成本，更适合进行小批量、柔性化生产，同时也更具灵活性和环保性。通过小高炉冶炼工艺，钢铁行业能够有效提高资源利用率，减少废弃物排放，实现资源循环利用和能源节约。采用小高炉冶炼工艺，可以有效利用废旧钢铁等固废资源，将其重新置入生产链条中，实现再生资源的转化利用，降低对原生资源的依赖，为可持续发展打下坚实基础。另外，小高炉冶炼工艺还能够提高钢铁行业的环保水平。相比传统高炉，小高炉的炉膛内温度较低，燃烧过程更易于控制，排放物质含量较少，排放物处理更加简便，减少对环境的污染。3冶金除尘灰处理工艺的选择与设计3.1工艺选择原则在选择适合钢铁冶金除尘灰处理的工艺时，钢铁冶金除尘灰中可能含有重金属元素、有机物等有害物质，因此，工艺的选择首先必须满足国家和地方的环境保护相关法规与标准，确保处理后的除尘灰符合排放标准要求。钢铁冶金除尘灰中可能包含有价值的金属、矿渣等物质，选择工艺应重视其资源回收利用潜力。例如，采用化学处理方法可以将有价值的金属从除尘灰中溶解出来，以达到资源回收利用的目的。另外，工艺选择还需考虑工艺的成本效益。不同的工艺方法具有不同的设备投资、运行成本、能耗等方面的差别。需要评估工艺的经济性，选取对于企业而言经济效益较高的工艺方法。3.2工艺参数与设备设计工艺参数的选择应根据除尘灰的组成特点和处理要求进行合理确定。例如，在物理处理方法中，颗粒物苏培生等：钢铁冶金除尘灰的处理工艺研究75冶金与材料第 44 卷的粒径分级和筛选操作涉及的参数包括筛网孔径、筛分速度等。在化学处理方法中，需要考虑使用的酸碱浓度、温度、反应时间等参数。工艺参数的合理选择可以提高工艺的效率和处理效果。工艺设备应根据工艺流程和处理要求进行设计，并考虑到除尘灰的性质如粒径、浓度等。设备设计需要遵循工程原则，确保设备能够长时间稳定运行并具有较高的性能指标。同时，还需要考虑设备的易维护性、安全性等因素。3.3工艺流程与能耗评估钢铁冶金除尘灰处理工艺的流程和能耗评估对于工艺的优化和节能减排具有重要意义。工艺流程的设计要合理简化，使其能高效完成除尘灰的处理。根据除尘灰的性质和处理要求，确定处理步骤的顺序和具体操作要求。同时，要合理选择工艺阶段的产物，避免不必要的处理步骤，提高处理效率和经济效益。能耗评估是评估工艺能源消耗水平的重要手段。通过对工艺中各个环节的能源消耗进行评估，识别节能的潜力和改进空间，优化工艺流程和设备配置，降低能源消耗。常用的能耗评估方法包括能量平衡法、能耗计算模型等。4未来展望4.1研发和应用高效的处理技术传统的物理、化学和生物处理方法存在一些问题，如处理效率低、耗能高等。为此，需要开展研究以开发新型的高效处理技术，以提高除尘灰的处理效果和降低能源消耗。一方面，可以探索纳米材料在除尘灰处理中的应用。纳米材料具有较大的比表面积和独特的化学特性，可以增强除尘灰的吸附能力或者促进化学反应速率。例如，纳米颗粒可以作为吸附剂用于去除有机污染物；纳米催化剂可以提高除尘灰中有害物质的分解效率。此外，利用纳米材料进行杂化或组装，可以构建高效的复合材料，实现对除尘灰中多种成分的同时处理。另一方面，引入人工智能和机器学习等先进技术，进行工艺过程的模拟和优化。通过建立模型和算法，预测和优化除尘灰处理过程中的各个关键环节，包括物料输送、颗粒物分离、化学反应等。结合实时监测和自动控制系统，实现智能化的工艺操作和最优化的资源利用，从而提高处理效率和能源利用率。4.2优化工艺流程简化工艺流程、减少处理步骤和废弃物产生，可以降低能源和原材料消耗，并简化设备配置和操作流程。一方面，可以通过整合和集成不同的处理方法，实现工艺的互补和协同。例如，物理处理和化学处理方法相结合，可以充分发挥各自的优势，提高整体的处理效果和资源回收率。此外，引入生物技术，利用微生物菌株进行生物降解和转化，加快除尘灰的处理速度。另一方面，应用先进的工程技术和装备，优化设备设计和工艺参数设置。例如，改进颗粒物分离设备的结构和工作原理，提高分离效率和处理能力。优化反应系统的反应条件和循环方式，减少反应能耗。同时，合理设计废物处理和排放系统，最大限度地减少二次污染和环境影响。4.3重视资源回收利用钢铁冶金除尘灰中包含有价值的金属、矿渣等物质，因此重视资源回收利用是未来的研究重点。通过开展研究和创新，实现除尘灰中资源的高效回收利用，可以减少对有限资源的需求，降低环境负荷。一方面，可以采用热解、焙烧等技术，将废渣转化为新型材料。钢铁冶金除尘灰中的无机成分可以在高温和特殊气氛下发生转化，形成高性能的固体材料。例如，可将有害元素锌、铅等进行固化，制备坚硬和稳定的陶瓷材料。这些材料不仅能够实现除尘灰的综合利用，还可以应用于建筑材料、路基工程等领域。另一方面，应用提取和分离技术，将除尘灰中的价值物质进行回收并再利用。通过化学分析、溶剂萃取、离子交换等方法，将有价值的金属、矿渣等物质从除尘灰中提取出来。提取物可用于再生材料、冶金工业等领域，实现资源的循环利用。5结束语随着环保意识的增强和法规要求的提高，钢铁冶金除尘灰处理工艺的研究和改进具有重要的意义和迫切性。通过研发高效的处理技术、优化工艺流程以及重视资源回收利用，可以提高除尘灰处理效率、降低能源消耗，并实现可持续发展的目标。然而，还需要加强政策支持和技术创新，推动钢铁冶金除尘灰处理工艺的进一步改进和优化，为环境保护和资源回收利用做出更大贡献。参考文献1 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